Aggiornamenti sullo stato dell arte e sull attuale convenienza della conversione energetica delle biomasse

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1 Conversione Energetica delle biomasse: stato dell arte e aggiornamenti normativi Aggiornamenti sullo stato dell arte e sull attuale convenienza della conversione energetica delle biomasse Giacobbe Braccio Enea 5 Workshop FOOD BioEnergy - CremonaFiere Cremona, 26 febbraio 2015

2 Disponibilità potenziale di biomasse residuali Dati riferiti all anno 2010 ed espressi in t/anno s.s. Residui kton/anno ss Erbacei Arborei Forestali 845 Tot Fonte: Atlante Enea delle biomasse

3 I sottoprodotti legnosi del settore agricolo italiano PCI: MJ/kg TW t Rif. I sottoprodotti legnosi ed erbacei del settore agricolo italiano. Colonna Nicola, Macrì Antonio, Regina Pasqua. Convegno i sottoprodotti agroforestali e industriali a base rinnovabile. Università Politecnica delle Marche, 26 e 27 Settembre 2013, Ancona

4 Energia biomasse Gassificazione La gassificazione è un processo fisico chimico complesso per mezzo del quale si realizza la parziale ossidazione dei composti carboniosi ad alta temperatura in presenza di aria o/e vapor d acqua. (trasformazione del combustibile solido in gassoso) Aria BIOMASSA + Aria e/o vapore O 2 syngas CO, H 2, CO 2, CH 4, C x H y, Tar, Ceneri, particolato Consta di 3 fasi: 1. essiccazione, ovvero disidratazione del materiale; 2. pirolisi, ovvero parziale distillazione del legno con produzione di char, tar e prodotti gassosi; 3. gassificazione in cui i prodotti della pirolisi reagiscono con l agente gassificante dando origine a CO, H 2, CO 2, CH 4, C x H y Processi: Agenti gassificanti Reattori Letti fissi Letti fluidi Up draft Down draft Double fire Bollente Circolante 4

5 La gassificazione della Biomassa: Le applicazioni MCI Turbina a Gas HT Fuel Cell Stirling Dipendentemente dal processo di produzione, si ottiene un gas di potere calorifico variabile, dai basso al medio PC, che può essere impiegato per la produzione di energia elettrica e calore, attraverso tecnologie convenzionali o avanzate. Il gas di medio PC può essere utilizzato anche per la produzione di vettori energetici secondari (CH4, FT, MeOH, H2 etc.) e di chemicals.

6 Il Know how ENEA sui processi di Gassificazione Gli impianti del Centro Ricerche della Trisaia Vapore Syngas pulito Ossigeno Biomassa LETTO FLUIDO RICIRCOLO INTERNO Aria arricchita/vapore 1MWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI COMPOSIZIONE SYNGAS Specie %Vol. H 2 32 CO 17 CH N CO H 2 O 32 Syngas pulito Aria Fumi di Combustione Biomassa Vapore LETTO FLUIDO CATALITICO RICIRCOLANTE Aria/vapore 500kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI, FC o alla produzione di biocombustibili da Fischer Tropsh COMPOSIZIONE SYNGAS Specie %Vol. H CO 25.1 CH N CO Biomassa Vapore Syngas grezzo Aria LETTO FISSO UPDRAFT Aria/vapore 200kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI COMPOSIZIONE SYNGAS Specie %Vol. H 2 20 CO 21 CH 4 4 N 2 40 CO 2 6 H 2 O 9 Aria Gas grezzo Zona di combustione LETTO FISSO DOWNDRAFT Aria/vapore kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI COMPOSIZIONE SYNGAS Specie %Vol. H 2 15 CO 22 CH 4 3 N 2 40 CO 2 20

7 Piattaforma impianti pilota ENEA per la gassificazione delle biomasse per gli usi finali di elettricità, calore e biocarburanti di sintesi

8 The European Research Infrastructure for Thermochemical Biomass Conversion Costo totale del progetto: 10,852,106 Parte ENEA: 411,260. Impianti sperimentali unici sono messi a disposizione da 24 partner, tra cui ENEA, di ricercatori europei per svolgere brevi campagne sperimentali finanziate al 100% dalla EC. ENERGITEKNISKT CENTRUM I PITEA DANMARKS TEKNISKE UNIVERSITET ASTON UNIVERSITY ABO AKADEMI KUNGLIGA TEKNISKA HOEGSKOLAN Polit. Breslavia CIUDEN IFRF UNI Napoli TUBITAK CERTH (ISFTA)

9 Impianti ENEA al momento resi disponibili in BRISK 200kW Updraft Fixed Bed Gasifier (PRAGA) Hydrogen enrichment modules (HENRI) (operating with PRAGA) Internal circulating fluid bed gasifier, 10 kwth, (hydrosyn lab) Ricevute fino al 2014 sei richieste di accesso da Lituania, Regno Unito, Turchia (il progetto finisce in Ottobre 2015) Circulating Fluidized Be Gasifier, 500 kwth (JOULE)

10 Progetto PON: µperla Programma di Energie Rinnovabili e Micro-Cogenerazione per l Agroindustria Impianto di gassificazione ANSALDO - Three Staged per la cogenerazione di energia elettrica e calore

11 Impianto di gassificazione ANSALDO Three Staged per la cogenerazione di energia elettrica e calore Gassificazione multistadio con ossidazione intermedia dei tars di pirolisi stoccaggio biomassa pretrattamento e alimentazione essiccazione fumi pirolisi gas ossidazione parziale dei gas vapore aria Tipologia alimentazione: biomasse lignocellulosiche syngas calore gpl fumi riscaldamento indiretto (combustione) solido gas gassificazione del residuo solido carbonioso Portata biomassa: 150 kg/h accumulo aria recupero termico, raffreddamento e deumidificazione syngas pulizia gas Umidità biomassa in ingresso: 10 % conversione energetica (motore endotermico) calore Produzione syngas: 330 kg/h generazione di energia elettrica Potenza elettrica prodotta: 120 kwe Rendimento elettrico netto: 20 %

12 Gassificazione a letto fluido con circolazione interna La tecnologia attualmente più consolidata per la purificazione del gas e del tipo a valle (downstream). Sul gassificatore ICBFB Enea e l Università degli Studi de L Aquila sono congiuntamente detentrici di brevetto (2008IT-URM /02/2008, IT ) Gassificatore BFB con circolazione interna (1MW th ICBFB, Brevettato)

13 La gassificazione delle biomasse per: Produzione di syngas, conversione in idrogeno, metano e carburanti

14 Progetti dimostrativi in corso - Hy-tractor - UNIfHY - Gallipoli Cognato

15 PROGETTO HY-TRACTOR TRATTORE AGRICOLO A FUEL CELL ALIMENTATO AD IDROGENO Bando Nuove Tecnologie per il Made in Italy - Industria 2015 Importo complessivo: 4,5 M Il progetto è terminato a Settembre 2014 Attività Enea: generazione di H 2 con purezza fuel cells da syngas proveniente dalla gassificazione delle biomasse

16 IMPIANTO PRAGA: updraft GAsification Sezione di upgrading Sperimentazione condotta con gusci di mandorla Filtri %vol CO 21.2 CO H CH N Composizione del syngas pulito e secco da inviare alla sezione di arricchimento e separazione Da 1kg di biomassa 2.42 Nm 3 di gas Generatore di Scrubber vapore Surriscaldatore Gassificatore

17 Sezione di arricchimento e separazione H 2 con membrane Pd/Ag Reazione di Water Gas Shift CO + H 2 O CO 2 + H 2 Membrane a base di Pd Reattore HT_WGS con membrane a base di Pd Reattore multifunzionale integra reazione e separazione Scambiatore di calore H 2 puro H 2 puro La permeazione dell H 2 attraverso la membrana consente di superare i limiti dell equilibrio termodinamico: conversione del CO in H 2 più elevata a parità di temperatura Le membrane consentono «l intensificazione» del processo di produzione con conseguente potenziale riduzione dei costi capitali e operativi

18 Generazione dell idrogeno Condizioni testate Test T (C) P (bar) QH 2 O (g/h) %vol CO 21.2 CO H CH N Con il reattore WGS a membrana di Pd si ottengono rese superiori a quelle teoricamente previste in un reattore comune all'equilibrio e si ottiene contemporaneamente una corrente di H 2 iperpuro 1kg di biomassa 1.05 m 3 di H 2

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21 Attività in corso in Trisaia Prove funzionali sull impianto tese a verificare l affidabilità di esercizio. Costi per il trattamento del gas possono contribuire fino al 40 % del costo di investimento. Una possibilità di ridurre i costi, e al tempo stesso aumentare l efficienza del processo e una integrazione spinta del gas cleaning & conditioning direttamente nel reattore di gassificazione Impianto Compatto Riduzione costi di investimento (20-30%) Ridotte perdite termiche Gassificatore BFB con circolazione interna (1MW th ICBFB, Brevettato)

22 Progetto Enerpark Progetto generazione EE/CH4 a biomassa Parco Gallipoli Cognato (MT) Il progetto finanziato dalla Regione Basilicata è finalizzato a realizzare un impianto dimostrativo per la produzione di energia elettrica e produzione di metano utilizzabile all interno dell area protetta con un finanziamento complessivo di circa 500 k. Il progetto in fase avanzata di realizzazione, vede già completato l impianto di gassificazione per la produzione di energia elettrica e il quasi completamento dell impianto di metanazione progettato e realizzato da Enea. Obiettivi: Valorizzazione delle biomasse derivanti da manutenzione ordinaria superfici marginali (es. pertinenze stradali). Fasi: Sviluppo di un processo integrato atto alla produzione di EE, calore e Bio-metano. Valutazione di un modello di filiera integrato di valorizzazione di biomasse residuali su scale distribuita. Valutazioni disponibilità. Sviluppo di processo integrato atto alla produzione di EE, calore e Bio-metano. Realizzazione dimostrativo ed esercizio sperimentale.

23 Progetto Enerpark Progetto generazione EE/CH4 a biomassa Parco Gallipoli Cognato (MT) Valutazioni disponibilità. Utilizzo del portale ATLANTE NAZIONALE DELLE BIOMASSE per la quantificazione locale delle biomasse derivanti dalla manutenzione ordinaria di superfici marginali delle pertinenze stradali del PARCO DI GALLIPOLI COGNATO. Pendenza terreno % Superficie [ha] Legno [t/a] Ramaglie [t/a] Individuata l area di approvvigionamento potenziale, si è proceduto all individuazione delle aree boschive incluse nel buffer di 1 km dalla strada, in modo da minimizzare il costo per il reperimento della biomassa dal bosco al punto di raccolta e trasporto posto in corrispondenza della strada principale ed inoltre è stata valutata la pendenza delle aree boschive del bacino di approvvigionamento, risultata inferiore all 8% e quindi di facile reperimento.

24 24 Progetto Enerpark Sviluppo processo integrato, Residui lignocellulosici 35 kg/h Calore Pe=30 kwe Pretrattamento comminuzione essiccazione Motore CI Energia elettrica Gassificazione Cleaning Gas combustibile Aria Tecnologia: Letti fissi Downdraft Inquinanti Ceneri Composti acidi (HCl, HCN, H2S) TAR Tecnica di cleaning: Cicloni Filtri a maniche Scrubber Deumidificatore Sezione di shift H2/CO=3 Sezione Metanazione Upgrading CH4 BioMetano

25 Progetto Enerpark Tecnologia di gassificazione. La realizzazione dell unità di gassificazione e cleaning ha visto il coinvolgimento di uno Spin-off Enea (la società Seri srl) specializzata nella realizzazione di impianti di gassificazione basati sulla tecnologia downdraft ma sviluppati in ordine al miglioramento del bilancio energetico e caratteristiche syn-gas prodotto. Caratteristiche peculiari: differenti zone di ossidazione; zona di cracking termico dei tar prodotti; alimentazione aria a media temperatura circa 573 [K]; griglia mobile al di sotto della zona di riduzione; sistema di movimentazione del letto.

26 Progetto Enerpark Schema impianto di gassificazione-cleaning

27 Progetto Enerpark Impianto integrato in realizzazione Unità gassificazionecleaning Stoccaggio essiccazione Cogeneratore

28 Accordo di Programma MSE-ENEA sulla Ricerca di Sistema Elettrico Progetto B.1.1 Sviluppo di sistemi per la produzione di energia elettrica da biomasse e l upgrading dei biocombustibili b.3 Ottimizzazione del processo di produzione di biometano a partire da syngas sull impianto pilota di metanazione BIOSNG

29 Sintesi di Biocarburanti Gassificante Agente Composizione Gas Secco (% v) H 2 CO CO 2 CH 4 N 2 C 2 H 4 PCI (MJ/Nm 3 ) Aria < Ossigeno < Vapore H 2 /CO H 2 /CO Reazione di Water Gas Shift Upgrading CO + H 2 O CO 2 + H 2 conversione

30 Accordo di Programma MSE-ENEA sulla Ricerca di Sistema Elettrico Progetto B.1.1 Sviluppo di sistemi per la produzione di energia elettrica da biomasse e l upgrading dei biocombustibili b.3 Ottimizzazione del processo di produzione di biometano a partire da syngas sull impianto pilota di metanazione BIOSNG Arricchimento di syngas nel contenuto di H 2 attraverso l impiego di sorbenti SEWGS per la cattura di CO 2 (Sorbenti Mg/Al, Ca/Al e Mg/Ca/Al) Sviluppo e caratterizzazione di catalizzatore di metanazione Ni/Mg/Al e preparazione per la produzione di pellets Impianto pilota BioSNG

31 Conclusioni Gassificazione della biomassa è un processo che si presta a diversi ambiti di applicazione a fini energetici. Produzione di Energia elettrica e Calore: la tecnologia della produzione su piccola e media scala è provata; rispetto ad altre FER, i costi di produzione da biomassa sono più alti, ma la politica di incentivazione del DM 6 luglio 2012 rende la produzione di energia elettrica e calore da gassificazione conveiente e integrabile nel sistema di produzione nazionale, soprattutto per piccoli impianti Produzione di Biocarburanti di sintesi: la strada è tecnologicamente perseguibile, ma gli attuali costi di produzione sono ancora troppo alti vs i costi dei prodotti di origine fossile Produzione di SNG: la strada è tecnologicamente perseguibile; gli attuali costi di produzione sono alti, ma confrontabili vs il costo del GN; incentivi alla produzione potrebbero aiutare lo sviluppo del settore. In tutti gli ambiti, l attività di R&S è fondamentale per la riduzione dei costi di produzione e l affidabilità delle tecnologie. In questo contesto l Enea può dare un contributo significativo sia su attività di ricerca orizzontale che in supporto a partner industriali interessati a investire su queste tecnologie.

32 FINE PRESENTAZIONE